Лапшинский Сборник задач и заданий с ответами, решениями 2011

находится в квантовой яме (рис.2.2)29, ограничивающей его движение.

Рис.2.2. Квантовая яма: условное изображение уровня энергии – стоячей волны. Схема соответствует

бесконечным «стенкам» ямы и температуре абсолютного нуля.

Если рассмотреть 3-мерный наномир, то под квантовыми точками (рис. 2.3) понимают структуры, в которых движение носителей заряда ограничено во всех трех направлениях. Как уже говорилось в первой главе, лауреат Нобелевской премии, академик Ж.И. Алферов назвал квантовые точки «искусственными атомами, свойствами которых можно управлять». Любопытно, что первыми квантовыми точками, которые были использованы человеком, стали наночастицы металлов, с помощью которых в Древнем Египте окрашивали стекла.

Предполагается, что в творческом задании будут рассмотрены свойства и применение наноэлектронных приборов, созданных на основе квантовых точек (рис.2.4.),

29 Андрюшин Е.А. Сила нанотехнологий: наука&биз-нес. – М.: Фонд

«Успехи науки», 2007. – 160 с.

71

например, транзисторов30, логических элементов и элементов памяти.

Поведение электронов в квантовых точках и ямах приводит к полезным оптическим свойствам веществ. Поэтому рассмотрение в задании квантовых точек и ям для оптоэлектронных приборов (лазеров, дисплеев, светодиодов, источников света солнечных батарей) также представляет большой интерес.

Рис.2.3. Квантовые точки31

Рис.2.4. Топология прибора на квантовой точке32

30Такие транзисторы называют также квантовыми транзисторами.

31Демиховский В.Я. Квантовые ямы, нити, точки. Что это такое? // Соросовский образовательный журнал - № 5, 1997 - С. 80-86.

32http://science.compulenta.ru/478622

72

2. Нанопечатные технологии получения топологических рисунков в интегральных микросхемах

Комментарий к теме Формирование наноразмерных элементов и электронных

приборов, например, из кремния, может осуществляться с помощью как традиционных микроэлектронных технологий, которые включают этап получения топологических рисунков на поверхности, так и нанотехнологий. Под нанотехнологиями при этом понимают совокупность методов и средств, обеспечивающих создание наноструктур, состоящих из отдельных атомов, молекул и макромолекулярных блоков с типичными наноразмерами от единиц до 100 нм. Причем сегодня известны два технологических подхода, реализующих принципы «сверху-вниз» и «снизу-вверх».

Рис. 2.5. Схема получения топологических рисунков в ИМС методом нанопечатной технологии

Традиционная технология «сверху-вниз» предполагает создание на поверхности подложки рисунков и, соответственно, элементов интегральных схем с требуемыми размерами и конфигурацией (рис.2.5), т.е. необходимой

73

топологией (рис.2.6), путем избирательного удаления материала, заранее нанесенного на подложку (в качестве подложки может выступать традиционная пластина кремния или чтото другое). Такой принцип можно сравнить, например, с созданием скульптуры из монолитного камня гранита путем «вырубки» лишнего материала. В микроэлектронике создание топологических рисунков называютфотолитографией .

Рис.2.6. Фрагмент топологии для чипа33 ИМС, созданной с помощью методов фотолитографии.

Альтернативные технологии связаны с формированием требуемых наноструктур путем селективного осаждения атомов и молекул на заданные участки поверхности. В этом случае нанотехнолог похож на художника, рисующего на холсте, когда он наносит на него определенные краски. Впрочем, современные нанотехнологии пошли еще дальше, когда «художник» может и не присутствовать, а формирование наноструктур происходит на основе самоорганизации и самосборки (технологии «снизу-вверх»).

33 В русскоязычной научно-технической литературе часто вместо англоязычного термина «чип» интегральной микросхемы используют термин «кристалл».

74

а

б

Рис.2..7. Усложнение структуры элемента при переходе от микрометровых (а) к нанометровым (б) размерам34

Предполагается, что в творческом задании будут перечислены проблемы, способы и идеи их решения, а также современные достижения в области нанопечатных технологий создания топологических рисунков в интегральных микро- и наносхемах. Прогноз развития методов создания тополо-

34 В.А. Гуртов. Твердотельная электроника. М.:Техносфера, 2008. – 3-е изд., доп. – 512 с.

75

гических рисунков для наноэлектронных приборов, сделанный автором задания, приветствуется.

3.Проблемы перехода к нанотехнологиям

вобласти интегральных микросхем

Комментарий к теме Минимальный размер элементов современных

интегральных микросхем достиг уровня менее 30 нм в плоскости кристалла (толщины слоев значительно меньше, рис.2.7). Фактически, современная микроэлектроника стала наноэлектроникой. Предлагается провести поиск информации и анализ проблем, возникающих при переходе микроэлектроники от субмикронных технологий к нанотехнологиям, выявить какие-либо интересные на ваш взгляд направления, новые или усовершенствованные приборы и т.п.

4. Зависимость свойств тел при их делении на мелкие части

Комментарий к теме Очевидно, что при последовательном делении тела на все

более мелкие части увеличивается отношение площади поверхности частиц к их суммарному объему. Определите зависимость этого отношения от числа последовательных делений. Исходные данные для анализа следует выбрать самостоятельно.

Известен такой процесс как нуклеация. Это первая стадия фазового превращения, когда вещество переходит из метастабильного состояния в другое устойчивое фазовое состояние с помощью центров нуклеации, способствующих такому переходу. Примером может служить бурное выделение растворенного газа из такой жидкости, как кола, при бросании в нее мятных таблеток, создающих центры нуклеации (рис. 2.8). Оцените скорость какойлибо реакции этого типа (постоянную

76

времени процесса) в зависимости от степени измельчения вещества. Необходимые данные можно найти в Интернете.

Рис.2.8. Фото одного из моментов процесса нуклеации

Элементы и чипы ИМС и ИНС

иустройства на их основе

5.Устройство логических элементов в современной цифровой технике (компьютерах)

Комментарий к теме Известно, что «ядром» современной цифровой техники и

аппаратуры, в частности, компьютеров являются процессоры и память, которые в свою очередь построены на логических элементах (ЛЭ). Логические элементы сегодня оперируют с информацией, представленной в виде комбинаций всего двух цифр 0 и 1 (рис. 2.9). Существуют теории, называемые

77

алгеброй логики или булевой алгеброй35 (рис, 2.10), имеющие давнюю историю и позволяющие создать из ограниченного набора ЛЭ мощные полупроводниковые процессоры и огромную полупроводниковую память. Простейшим ЛЭ является инвертор (вентиль), выполняющий логическую функцию НЕ, называемую отрицанием или инверсией. Существуют также ЛЭ типа ИЛИ, И, ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т.д. (рис.2.10).

Соединив между собой подобающим образом всего два инвертора, можно получить бистабильную ячейку (рис.2.11) или элемент памяти, например, для запоминающего устройства.

Рис.2.9. Условное графическое изображение (а) и передаточные характеристики ЛЭ типа инвертора (б). Vdd – напряжение питания

35 Булева алгебра называется так по имени английского математика Джорджа Буля, заложившего ее основы в середине XIX века. На возможность технического применения булевой алгебры впервые обратил внимание русский ученый П.С. Эренфест (1910 г.). В 1938 году Шеннон, а независимо от него в 1936 году советский ученый В.И. Шестаков успешно применили математический аппарат булевой алгебры для проектирования релейных схем прообраза– современных цифровых устройств.

78

Рис.2.10. Таблицы истинности и условные обозначения для основных операций булевой алгебры: инверсия (а, б), дизъюнкция (в, г), конъюнкция (д, е), эквивалентность (ж, з), стрелка Пирса (г, к), штрих Шеффера (л, м)

Рис.2.11. Бистабильная ячейка на двух ЛЭ

79

В качестве инвертора в современных цифровых схемах используют интегральные транзисторы различных типов: полевые, биполярные, К-МОП и.т.д. Микропроцессор и память персонального компьютера сегодня содержит миллиарды кремниевых транзисторов и ЛЭ. Наноэлектроника позволяет создавать ЛЭ разных типов, процессоры и память на их основе не только из кремниевых транзисторов/инверторов.

Рис.2.12. Блоксхема современного процессора общего назначения в соответствии с концепцией вычислительной машины фон Неймана36

В творческом задании предлагается описать и сравнить особенности характеристик традиционных ЛЭ, создаваемых по технологии микро- и наноэлектроники на основе кремния, а также ЛЭ, которые уже созданы с применением углеродных материалов (углеродная наноэлектроника): графена, графана, углеродных нанотрубок, фуллерена и т.д.

36 http://www.gym075.edusite.ru/informatika.html - блок схема машины фон Неймана, характерная для современного процессора общего назначения.

80